【手続補正書】
【提出日】平成17年11月18日(2005.11.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】  明細書
【発明の名称】  ガスセンサとそれを用いた燃料電池システムおよび自動車
【特許請求の範囲】  
【請求項１】  湿気を含む大気と混合した被検出ガスに接触する発熱素子と、この発熱素子に電流を流す電源装置と、この発熱素子の両端電圧を測定する電圧計と、この電圧計の出力電圧から湿度および被検出ガスの濃度を演算出力する演算部を有し、前記発熱素子に少なくとも３段階以上の電流をステップ状に規定時間連続して流し、それぞれの電流値に対する前記発熱素子の規定時間経過後の両端電圧を前記演算部へ取り込み最も電流の少ない時の前記発熱素子の両端電圧から温度を求め、前記温度と濃度既知の被検出ガスであらかじめ求めた０点および感度の補正式とからその他の電流を流した時の前記発熱素子の両端電圧の値を補正することで規格化出力をそれぞれ求め、この規格化出力の差から湿度を求め、湿度と濃度既知の被検出ガスであらかじめ求めた湿度補正式で前記規格化出力を補正することで被検出ガスの濃度を求める行程を１サイクルとして繰り返すことで湿度および被検出ガスの濃度を出力するように構成したガスセンサ。
【請求項２】  被検出ガスが濃度４％までの水素である請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】  発熱素子に流す最も電流の少ない時の電流値は発熱素子がほとんど発熱しない範囲内で与えられるようにした請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項４】  発熱素子に流す少なくとも３段階以上の電流値は低い電流から高い電流に順次与えられるようにした請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項５】  発熱素子を一部を窪ませたシリコン台座の窪み部の表面に形成した絶縁層と、この絶縁層の上に形成した発熱体で構成した請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項６】  発熱素子の一部に貫通部を設けた請求項５に記載のガスセンサ。
【請求項７】  発熱素子は有孔キャンを二重に重ねた中に配置され、それぞれのキャンの孔の位置が互いに対向しないように配置した請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項８】 請求項１に記載のガスセンサが搭載された燃料電池であって、前記ガスセンサの水素に対する出力が既定値を超えた時、換気するとともに前記燃料電池を停止するように制御する構成とした燃料電池システム。
【請求項９】 請求項１に記載のガスセンサを乗車空間の上部に配置し、このガスセンサの湿度出力をもとに前記乗車空間が最適な湿度になるように前記乗車空間の一部に設けたエアコンを制御するとともに、前記ガスセンサの水素濃度出力から前記乗車空間内の水素濃度が既定値以上であれば警報を発し前記乗車空間内の換気を行うとともに水素供給源を遮断するように制御する構成とした自動車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は湿気を含む大気と混合した被検出ガスの濃度および湿度を検出するためのガスセンサとそれを用いた燃料電池システムおよび自動車に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エネルギー、環境問題の解決の切り札として期待されている燃料電池が、近年、盛んに開発されてきている。特に、固体高分子膜を電解質に用いた燃料電池は動作温度が８０℃程度と低く扱いやすいため、現在燃料電池開発の主流をなしている。しかし、これは燃料に水素を用いるため、その漏洩に対する安全対策として水素検出用ガスセンサが必要になってくる。
【０００３】
このようなガスセンサとして、従来、水素の熱伝導率が他のガスに比べ極めて大きいことを利用し、水素の存在による熱伝導率の変化を発熱素子の温度変化として検出する原理のものが提案されていた。これは、例えば空気中に水素が存在すると、発熱素子から奪われる熱量が空気のみの時より多くなり、これにより発熱素子の温度が水素濃度に応じて変化する。この温度変化を温度検出素子の抵抗値の変化として電気的に検出するものである。
【０００４】
このガスセンサに使用される発熱素子（温度検出素子と兼用）として、白金薄膜抵抗体が用いられている。これは薄膜であるがゆえに半導体微細加工技術（マイクロマシン技術）を応用して製造することが可能であり、極微小な発熱素子を形成できるため、高速応答、低消費電力化が図れるという特長を有している。
【０００５】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−１０１１５６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このようなガスセンサを水素漏洩検知に用いる場合、被検出ガス（水素）中の湿気の存在が問題となる。すなわち、湿気がなければ発熱素子の抵抗値は水素濃度に応じて変化するが、湿気があるとそれによっても抵抗値が変化してしまい、水素による変化なのか湿気による変化なのかあるいは両者が共存して変化したのかを区別することができない。
【０００８】
これに対し、前記従来例では、白金薄膜抵抗体からなる発熱素子に流す電流を可変することにより発熱素子の出力電圧が反応度合いに応じて変化することを利用して、各電流を流した時の発熱素子の両端電圧をあらかじめ求めた推定式に代入かつ連立させることにより、その推定式の解から大気ガスの量すなわち各ガスの濃度を求めている。
【０００９】
基本的にはこのような解法で複数成分のガス濃度を求めることができるのであるが、課題となるのは燃料電池からの漏洩検知のように、８０℃近い温度で水蒸気がほぼ飽和で含有された状態の水素が大気中に漏洩する場合である。すなわち、各ガス成分の熱伝導率の変化が従来例にあるように１次式で表される、もしくは、１次式とみなせる範囲内でしか検出しない用途であれば、チェビシェフの直交多項式を用いて計算できるが、上記のように水素に比べ水蒸気が多量にある場合が想定される系での検出においては、それらの混合系の熱伝導率は湿度とともに一旦上昇しピークを持って下降する非線形（二次以上の次数を必ず持つ）な特性を示す。従って、単に推定式を連立させて解くだけでは計算が煩雑になるうえ、湿度に対する解が複数個存在し湿度を一義的に決定できず、ゆえに水素濃度も一義的に決定できないといった課題があった。
【００１０】
以上のことから、本発明は被検出ガスと水蒸気が共存した環境下において被検出ガス濃度と湿度を区別して検出することができるガスセンサを提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明は以下の構成を有するものであり、その特徴部分について列挙する。
【００１２】
本発明の請求項１に記載の発明は、湿気を含む大気と混合した被検出ガスに接触する発熱素子と、この発熱素子に電流を流す電源装置と、この発熱素子の両端電圧を測定する電圧計と、この電圧計の出力電圧から湿度および被検出ガスの濃度を演算出力する演算部を有し、前記発熱素子に少なくとも３段階以上の電流をステップ状に規定時間連続して流し、それぞれの電流値に対する前記発熱素子の規定時間経過後の両端電圧を前記演算部へ取り込み、最も電流の少ない時の前記発熱素子の両端電圧から温度を求め、前記温度と濃度既知の被検出ガスであらかじめ求めた０点および感度の補正式とからその他の電流を流した時の前記発熱素子の両端電圧の値を補正することで規格化出力をそれぞれ求め、この規格化出力の差から湿度を求め、湿度と濃度既知の被検出ガスであらかじめ求めた湿度補正式で前記規格化出力を補正することで被検出ガスの濃度を求める行程を１サイクルとして繰り返すことで湿度および被検出ガスの濃度を出力するように構成したもので、発熱温度が異なるように少なくとも３段階の電流を発熱素子に流して、まず規格化出力差から湿度出力を一義的に決定し、それから湿度補正量の演算を行って被検出ガスの濃度を求めることで、熱伝導率が非線形特性をもつ水蒸気を含有する系であっても、被検出ガス濃度と湿度をそれぞれ区別して検出することができるという作用を有するものである。
【００１３】
本発明の請求項２に記載の発明は、被検出ガスが濃度４％までの水素とするもので、水素濃度の出力感度が湿度の出力感度と同レベルの範囲とし、かつ、爆発限界以下の水素濃度範囲とすることで補正計算による精度を向上させつつ安全な濃度範囲内で水素漏洩を検知できるという作用を有するものである。
【００１４】
本発明の請求項３に記載の発明は、発熱素子に流す最も電流の少ない時の電流値は発熱素子がほとんど発熱しない範囲内で与えられるようにしたもので、ガス感度や湿度感度がほとんどなく素子温度のみを高精度に検出できるという作用を有するものである。
【００１５】
本発明の請求項４に記載の発明は、発熱素子に流す少なくとも３段階以上の電流値は低い電流から高い電流に順次与えるようにしたもので、これにより発熱素子の発熱温度を低温から高温に順次加熱でき、急激に加熱することによる熱衝撃に起因した素子破壊の可能性を低減できるという作用を有するものである。
【００１６】
本発明の請求項５に記載の発明は、発熱素子を一部を窪ませたシリコン台座の窪み部の表面に形成した絶縁層と、この絶縁層の上に形成した発熱体で構成したもので、シリコンのマイクロマシン微細加工技術で発熱素子を極めて薄く形成することにより発熱素子の熱容量を極めて低減できるため、高速応答、低消費電力のガスセンサが実現できるという作用を有するものである。
【００１７】
なお、窪み部の厚みを１０マイクロメートル以下とすることにより、発熱素子の温度安定時間をサブ秒オーダーに低減できるという作用を有するものである。
【００１８】
また、発熱素子の表面に保護層を形成することにより、被検出ガス中に含まれる不純物が発熱素子の表面に直接付着するのを防ぐことができるため、発熱素子の信頼性が向上するという作用を有するものである。
【００１９】
さらに、絶縁層および保護層をシリカで構成することにより、シリコン台座との密着がよいため繰り返し加熱を行っても発熱素子が破壊する可能性を低減できるという作用を有するものである。
【００２０】
本発明の請求項６に記載の発明は、発熱素子の一部に貫通部を設けたもので、発熱素子からシリコン台座への熱引けを低減できるため、素子温度の安定時間を短縮でき、かつ、繰り返し加熱による再現性が優れるという作用を有するものである。
【００２１】
なお、発熱素子を白金薄膜とすることにより、発熱素子の配線パターンと発熱素子が一体で形成できるため製造プロセスが簡略化できるという作用を有するものである。
【００２２】
また、発熱素子の形状をつづら折れの構成とすることにより、発熱素子の表面積を大きくとれるので、その分感度が向上するという作用を有するものである。
【００２３】
本発明の請求項７に記載の発明は、発熱素子は有孔キャンを二重に重ねた中に配置され、それぞれのキャンの孔の位置が互いに対向しないように配置したもので、これにより直接被検出ガスが発熱素子に到らず、被検出ガスの流量によるガスセンサ出力への影響を低減できるという作用を有するものである。
【００２４】
なお、孔にそれぞれ金属網を形成することにより、万一ガスセンサ内で水素のような被検出ガスが燃焼しても網で熱が吸収され網から外に火炎が伝播しないという作用を有するものである。
【００２５】
また、有孔キャンおよび金属網を黒色とすることにより、発熱素子や外部からの輻射熱を有孔キャンおよび金属網が吸収するため有孔キャンおよび金属網での熱の乱反射による発熱素子の発熱温度への影響が低減されるという作用を有するものである。
【００２６】
本発明の請求項８に記載の発明は、請求項１に記載のガスセンサが搭載された燃料電池であって、前記ガスセンサの水素に対する出力が既定値を超えた時換気するとともに前記燃料電池を停止するように制御する構成とした燃料電池システムで、湿気を含む被検出ガス中でも水素濃度のみを精度よく検出できるので水素漏洩に対する安全性が高い燃料電池システムを構成することができるという作用を有するものである。
【００２７】
本発明の請求項９に記載の発明は、請求項１に記載のガスセンサを乗車空間の上部に配置し、このガスセンサの湿度出力をもとに前記乗車空間が最適な湿度になるように前記乗車空間の一部に設けたエアコンを制御するとともに、前記ガスセンサの水素濃度出力から前記乗車空間内の水素濃度が既定値以上であれば警報を発し前記乗車空間内の換気を行うとともに水素供給源を遮断するように制御する構成とした自動車であり、乗車空間内の１つのガスセンサのみで水素漏洩検知だけでなく湿度のデータも得られるので、通常はエアコン制御を行い水素漏洩時には換気し水素供給源を遮断するように制御を行うことで、自動車の安全性、快適性を同時に向上できるという作用を有するものである。
【００２８】
なお、ガスセンサを常時動作させるようにすることにより、ガスセンサが低消費電力であるがゆえ自動車の非使用時においても水素漏洩を検知できるのでさらに安全性を向上できるという作用を有するものである。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を添付図面に従って説明する。なお、ここでは被検出ガスが水素であるとして、以下、説明する。
【００３０】
図１は本発明の実施の形態におけるガスセンサのガス検出部の分解斜視図である。図２は本発明の実施の形態におけるガスセンサの発熱素子の概略斜視図である。図３は本発明の実施の形態におけるガスセンサの発熱素子の概略断面図である。図４は本発明の実施の形態におけるガスセンサの発熱素子の拡大断面図である。図５は本発明の実施の形態におけるガスセンサの発熱素子の概略製造プロセス図である。図６は本発明の実施の形態におけるガスセンサの概略断面図である。
【００３１】
図１において、発熱素子１はベース２上に固定されている。ベース２には、それを貫通するように２本のピン３が設けられており、ピン３の頂面と発熱素子１とは金製のワイヤー４がそれぞれ２本ずつ接続されている。２本ずつワイヤー４を接続したのは、万一１本のワイヤ４が断線してももう１本が接続されているのでガスセンサを使い続けられ信頼性が向上するからである。ベース２には４ヶ所の内孔５を有する内キャン６が被せられ、さらにその上から１ヶ所の外孔７を有する外キャン８が被せられて二重のキャン構成としてある。内孔５および外孔７はベース２に被せる際に互いに対向しない位置になるよう形成してある。ベース２、内キャン６および外キャン８はいずれも抵抗溶接により互いに固定されている。なお、内孔５および外孔７にはステンレス製の網９が固定されている。また、内キャン６と外キャン８および網９は黒色のクロムメッキにより着色されている。
【００３２】
発熱素子１は図２に示すように、シリコンからなる台座１０をマイクロマシン加工技術により白金薄膜からなる発熱体１１をつづら折れ状に形成したものであり、発熱体１１の形状に従って台座１０もつづら折れ状に加工してある。発熱体１１の両端にはワイヤ４をボンディングするためのランド１２が設けられている。なお、発熱体１１やランド１２の下面には図示していないがシリカからなる絶縁層が形成されている。さらに、発熱体１１の上面にも図示していないがシリカからなる保護層が形成されている。
【００３３】
発熱素子１の図２の一点鎖線で示した部分の断面を図３に示す。つづら折れ状に加工した部分は図３における台座１０の下側の面を窪ませて窪み部１３を形成することで、厚み約１０マイクロメートルまで薄くしてある。これにより発熱体１１の熱容量を極めて低減することができる。
【００３４】
図３の点線で示した発熱素子１のつづら折れ部分の拡大断面を図４に示す。つづら折れ状に加工したシリコンからなる台座１０の上面にはシリカからなる絶縁層１４が形成されており、その上面に白金薄膜の発熱体１１がさらにその上面に保護層１５がそれぞれ積層された構造となっている。
【００３５】
このような発熱素子１のマイクロマシン加工技術による概略製造プロセスを図５（ａ）〜（ｅ）に示す。なお、わかりやすくするために絶縁層１４、発熱体１１、保護層１５および台座１０のつづら折れ部分の厚みは実際よりも誇張して示した。
【００３６】
まず、図５（ａ）に示すように、シリコン台座１０上にスパッタによりシリカの絶縁層１４を全面に形成する。次に、図５（ｂ）に示すように、絶縁層１４の上面に発熱体１１のパターンを用いて白金をスパッタすることにより発熱体１１を形成する。さらに、図５（ｃ）に示すように、発熱体１１に対応する部分のみが露出したマスクパターンを用いてスパッタによりシリカの保護層１５を形成する。これにより発熱体１１の上面だけに保護層１５を形成できる。次に、図５（ｄ）に示すように、つづら折れ形状のパターンを用いて発熱体１１の周辺のシリコンをエッチングにより掘り下げる。最後に、図５（ｅ）に示すように、台座１０の裏面すなわち発熱体１１を形成しなかった面からエッチングによりシリコンを削り窪み部１３を形成していく。これにより、窪み部１３が先に掘り下げたつづら折れパターンに到ることで、図２に示すような発熱体１１がつづら折れ形状で宙に浮いた発熱素子１が形成できる。
【００３７】
このようにして作製した発熱素子１は図１に示したベース２、内キャン６、外キャン８からなるケースに実装されて検出部を形成する。検出部１６は図６に示すようにピン３を検出回路１７に挿入しはんだ付けすることにより電気的、機械的に接続される。容器１８には検出回路１７が挿入されるとともに、検出回路１７に接続された取出しケーブル１９をあらかじめ通した容器フタ２０がはめ込まれ、耐湿樹脂２１を容器フタ２０に設けた注入口（図示せず）から検出回路１７と容器フタ２０の間の空間全体に注入し硬化させた後、容器１８と容器フタ２０をかしめて固定する。
【００３８】
容器１８の底面にはガス取込口２２が開けられており、また、側面にはセンサ取付用のネジ部２３が加工されている。このようにして、ガスセンサ２４が完成する。
【００３９】
次に、ガスセンサの取り付け例について図７，図８を用いて説明する。
【００４０】
図７は本発明の実施の形態におけるガスセンサを定置型燃料電池システムに取り付けた際の概略ブロック図である。図８は本発明の実施の形態におけるガスセンサを用いた燃料電池自動車の概略構造を示す断面図である。
【００４１】
まず、定置型燃料電池システムについて固体高分子膜電解質型を例に説明する。図７において、水素タンク５１は、改質型の燃料電池システムの場合には改質器と置き換えられる。水素タンク５１内の水素は遮断弁５２を通って水素加湿器５３に導入される。ここで、燃料電池内の固体高分子膜が乾燥するのを防ぐための湿気が与えられる。加湿された水素は燃料電池スタック５４の水素極側に導入される。一方、燃料電池スタック５４には発電に必要な空気もコンプレッサ５５により空気加湿器５６で加湿されて空気極側に導入される。これにより燃料電池スタック５４は発電を行い太線で示したように燃料電池制御回路５７を経て外部に電力を供給する。また、燃料電池スタック５４からは発電の結果生成した水が空気と一緒に外部へ排出される。
【００４２】
このような燃料電池システムは全体が筐体５８内に収納されている。筐体５８内には、図７中に黒丸で示したように、水素タンク５１の近傍、燃料電池スタック５４の近傍、燃料電池スタック５４の空気極側の出口配管の一部などに水素漏洩を検知するためのガスセンサが配置される。これにより、もしいずれかのガスセンサが水素漏洩を検知すれば、燃料電池制御回路５７は遮断弁５２を閉じ、警報器５９と換気扇６０を動作させ燃料電池を停止するように制御する。
【００４３】
次に、燃料電池自動車について説明する。図８において、自動車の本体１０１は乗車空間１０２と、水素タンク収納空間１０３と、駆動手段収納空間１０４と、床下空間１０５がそれぞれ空間として分離された状態で形成されている。水素タンク収納空間１０３には水素を貯蔵するタンク１０６が設けられている。タンク１０６は、特に衝突時における水素漏洩に対する安全性を確保するために、外側タンク１０７と内側タンク１０８からなる二重構造となっており、内側タンク１０８内に水素が貯蔵されている。また、駆動手段収納空間１０４には本体１０１を駆動するためのモーター１０９が設けられている。床下空間１０５には燃料電池スタック１１０が設けられている。
【００４４】
タンク１０６から供給された水素は床下空間１０５に設けられた燃料電池１１０で電気エネルギーに変換され、その電気エネルギーがモーター１０９に伝達されてタイヤ１１１を駆動するようになっている。なお、タイヤ１１１の操舵方向は乗車空間１０２内からハンドル１１２で行うようになっている。
【００４５】
このような自動車において、それぞれの空間にはガスセンサ１１３が設けられている。具体的には、乗車空間１０２に設けたガスセンサ１１３は乗車空間１０２の中で最も上部にあたる天井前部に、水素タンク収納空間１０３に設けたガスセンサ１１３はタンク１０６が二重構造であるため外側タンク１０７の最上部に、駆動手段格納空間１０４に設けたガスセンサ１１３は駆動手段格納空間１０４の中で最も上部にあたるボンネット後端部に、床下空間１０５に設けたガスセンサ１１３は床下空間１０５の最上部にそれぞれ配置してある。さらに、図示していないが図７と同様に燃料電池スタック１１０の空気極側出口配管の一部にもガスセンサを配置している。
【００４６】
これらのガスセンサ１１３のうちいずれかが水素漏洩を検知すると、図７で説明したように水素供給源を遮断し警報および換気を行う。それに加えて、乗車空間１０２内に設けたガスセンサ１１３は湿度も検知できるので、通常は乗車空間１０２内が最適な湿度になるように乗車空間１０２の一部に設けたエアコンを制御している。なお、自動車の非使用時においてもいつ水素が漏れるかわからないためガスセンサは常時動作させてあり、いずれかが水素漏洩を検知すると自動的に換気を行い水素が充満しないようにしている。この場合、発熱素子１は極小の形状であることから消費電力が非常に小さいという特徴を有するので、自動車の非使用時でも十分駆動可能である。
【００４７】
次に、ガスセンサの動作について説明する。
【００４８】
図９は本発明の実施の形態におけるガスセンサの回路構成を説明するための概略回路図である。図１０は本発明の実施の形態におけるガスセンサの発熱素子に加える印加電流の概略波形図である。図１１は本発明の実施の形態におけるガスセンサの発熱素子が高温発熱時の加湿下における水素濃度出力特性図である。図１２は本発明の実施の形態におけるガスセンサの発熱素子が低温発熱時および高温発熱時の０点温度特性図である。図１３は本発明の実施の形態におけるガスセンサの発熱素子が低温発熱時および高温発熱時の温度による感度補正特性図である。図１４は本発明の実施の形態におけるガスセンサの発熱素子が低温発熱時および高温発熱時の補正後の出力差と８０℃における相対湿度との相関図である。図１５は本発明の実施の形態におけるガスセンサの湿度と０点および感度補正後出力の相関図である。図１６は本発明の実施の形態におけるガスセンサの発熱素子が低温発熱時および高温発熱時の補正後の出力差とオフセットとの相関図である。図１７は本発明の実施の形態におけるガスセンサの湿度補正後の加湿下での水素濃度出力特性図である。図１８は本発明の実施の形態におけるガスセンサの水素濃度と湿度を計算する手順を示すフローチャートである。
【００４９】
図９において、発熱素子１には電源装置として定電流源２５が接続され、さらに発熱素子１の両端電圧を測定する電圧計２６が定電流源２５と並列に接続されている。定電流源２５および電圧計２６はさらに演算部としてのマイクロコンピュータ２７に接続されている。マイクロコンピュータ２７は定電流源２５を制御するとともに、電圧計２６の出力から所定の演算を行い水素濃度や湿度を出力する。
【００５０】
発熱素子１に印加される電流は図１０に示すようにマイクロコンピュータ２７の指示に従って定電流源２５から３段階にステップ状に規定時間連続して流されている。本実施の形態では最初の電流値が１ｍＡ、２回目の電流値が７ｍＡ、３回目の電流値が７．５ｍＡで、それぞれ０．１秒ずつ流すように制御している。３回目の電流を流し終えると、発熱素子１への電流をオフにし１．７秒待つ。この間に発熱素子１を周囲温度まで冷却している。従って、１サイクル２秒の間隔でこれを繰り返して電流を印加している。なお、これらの電流値や時間は本実施の形態の発熱素子１で得られた条件の一例であり、これらの数値に何ら限定されるものではない。
【００５１】
マイクロコンピュータ２７は上記の電流制御を行いながら、各電流値を切替える直前の電圧計２６の電圧値を取り込む。従って、１サイクル当たり３点の電圧を読み込むことになる。ここで、これらの電圧を電流の低い順からＴ，Ｌ，Ｈとする。
【００５２】
Ｔは発熱素子１への電流値が１ｍＡと小さいため、ほとんど発熱しない状態での発熱素子１の電圧に相当する。この場合、発熱素子１は白金測温体に相当するので、その両端電圧Ｔはほぼ発熱素子１の周囲温度のみを表すことになり、ガスの種類による熱伝導の変化は検出していない。
【００５３】
ＬおよびＨは発熱素子１が発熱した時の発熱素子１の電圧になる。この場合はガスの種類や濃度および周囲温度によって素子から奪われる熱と、自らの発熱との平衡が取れた状態の温度に応じた電圧が得られる。従って、ＬとＨは周囲温度とガスの種類や濃度というパラメータが合成された電圧となる。なお、発熱素子１の発熱温度は流す電流が小さい時のＬの方が当然Ｈより小さくなる。
【００５４】
ここで、代表値としてＨを用いた時の８０℃における加湿雰囲気下での水素濃度依存性を高めた。非加湿（０％ＲＨ：ＲＨは相対湿度）下で空気のみをガスセンサに流した時の出力Ｈが０に、水素を１％混合した空気をガスセンサに流した時の出力Ｈが１になるように、各水素濃度や湿度条件下で得られた出力Ｈを規格化した。結果を図１１に示す。横軸はガスセンサに流した水素の濃度（％）、縦軸は規格化したセンサ（％Ｈ2）を示す。
【００５５】
図１１より、雰囲気中に湿度が含まれるとセンサ出力が無視できないほど大きく動き、水素検出、湿度検出ともに同レベルの感度を有することがわかった。出力Ｌについても同様の結果であった。従って、ＬやＨ単独では両者を区別して検出できない。そこで、以下に示す演算を行うことで両者の濃度を出力している。
【００５６】
一般に気体の熱伝導率は温度依存性を有するため、まず周囲温度Ｔに対する補正をＬ，Ｈに対して行う。具体的には、最初に０点（乾燥空気だけが存在する場合の出力）の補正を行う。これは乾燥空気をガスセンサに流した状態で温度を変え、各温度における出力Ｔ，Ｌ，Ｈから補正式を用いて補正する。実際の出力例を図１２に示す。図１２において、周囲温度が−４０，２０，５０，８０，９５℃の場合の出力Ｔ，Ｌ，Ｈを、Ｔ（周囲温度に相当）を横軸にＬ，Ｈを縦軸にそれぞれプロットした。Ｌ，Ｈとも周囲温度Ｔによって変化し０点が温度依存性を持つことがわかる。図１２よりＬ，Ｈに対する０点補正式を最小二乗法で二次近似して求めると、以下のようになった。
【００５７】
Ｌ０＝１．２４４６×Ｔ^２＋５．６７６７×Ｔ＋１．４３６    （１）
Ｈ０＝１．５９９７×Ｔ^２＋５．５９５１×Ｔ＋１．８７４３  （２）
これにより、ある任意の湿度および水素環境下での出力Ｌ，Ｈのうち、０点の温度依存による影響分Ｌ０，Ｈ０は周囲温度Ｔを（１），（２）式に代入することで得られる。従って、任意環境下の出力Ｌ，Ｈを０点補正した値ＺＬ，ＺＨは次式で求められる。
【００５８】
ＺＬ＝Ｌ−Ｌ０                                              （３）
ＺＨ＝Ｈ−Ｈ０                                              （４）
なお、（１），（２）式で二次近似としたのは、一次近似では補正誤差が大きかったからである。
【００５９】
次に、周囲温度による感度補正を行う。これは、一般に気体の熱伝導率は同じ濃度のガスが存在していても周囲温度に応じて変化する、すなわち、熱伝導率のガス感度が温度特性を有するためである。このため、乾燥空気に水素を一定濃度（ここでは１％とした）混合したガスをガスセンサに流した状態で温度を変え、各温度における出力Ｔ，Ｌ，Ｈから補正式を用いて補正する。ここで、前記したように温度を変えると０点も変化するので、Ｌ，Ｈの値は（３），（４）式によりあらかじめ０点補正した値（ＺＬ，ＺＨ）に対して感度補正を行う。
【００６０】
１％水素を含む乾燥空気に対する出力ＺＬ，ＺＨ（＝１％水素感度）の実際の温度依存性を図１３に示す。周囲温度は０点補正の時と同様に変化させた。また、横軸にはＴ（周囲温度に相当）を、縦軸にはＺＬ，ＺＨをそれぞれプロットした。図１３より、１％水素感度も温度依存性を持つことがわかる。ＺＬ，ＺＨに対する感度補正式を最小二乗法で二次近似して求めると、以下のようになった。
【００６１】
ＺＬ１＝０．０６２７×Ｔ^２＋０．０４２４×Ｔ−０．０４７２（５）
ＺＨ１＝０．０９９６×Ｔ^２＋０．０５６６×Ｔ−０．０６２３（６）
ここで、ＺＬ１，ＺＨ１は温度による感度補正係数である。これにより、任意環境下の出力ＺＬ，ＺＨを感度補正して水素濃度に規格化した値ＫＬ，ＫＨは次式で求められる。
【００６２】
ＫＬ＝ＺＬ／ＺＬ１                                          （７）
ＫＨ＝ＺＨ／ＺＨ１                                          （８）
（７），（８）式により、ＫＬ，ＫＨの単位は水素濃度の％（以下、％Ｈ2）に規格化されたことになる。なお、（５），（６）式で二次近似としたのは、０点補正時と同様、一次近似では補正誤差が大きかったからである。
【００６３】
次に、湿度出力を求める。（７），（８）式は水素濃度で規格化した出力であるので、両者の差は任意環境における出力のうち水素濃度の影響を差し引いた値、すなわち、湿度に相当する。これは、水素が４％程度までの範囲であれば、水素と水蒸気が混合した空気の場合、両者の熱伝導率への影響が単純に和として近似できることに基づく。さらに、水素感度と湿度感度は異なることから、水素濃度に対する感度が等しくなるように計算された規格化出力ＫＬ，ＫＨの差は水素感度のみを差し引くことになり、残った値は湿度を示すことになる。実際に両者の差を求めて湿度との相関をプロットしたものを図１４に示す。横軸はＫＬとＫＨの差Ｈｕｍ（＝ＫＨ−ＫＬ）を、縦軸は８０℃での相対湿度ＲＨをそれぞれ示す。図１４より、Ｈｕｍに対するＲＨの相関は従来例で述べたピークを持つ非線形特性ではなく、一義的に湿度を決定できる略線形特性であることがわかる。
【００６４】
この相関を最小二乗法で二次近似した計算式を次式に示す。
【００６５】
ＲＨ＝２４３．６５×Ｈｕｍ^２＋１３２．５７×Ｈｕｍ＋０．１０１１  
（９）
従って、規格化出力差Ｈｕｍを（９）式に代入すれば、ＲＨを求めることができる。なお、本実施の形態ではＲＨを８０℃での相対湿度の単位で求めたが、周囲温度Ｔが変わった場合、Ｔに応じてＲＨを既知公式などを用いて絶対湿度に変換するなり、Ｔにおける相対湿度に換算することで、任意の温度下での湿度を求めることができる。
【００６６】
ここで、Ｈｕｍの湿度に対する特性がピークを持つ非線形特性にならない理由について図１５を用いて説明する。図１５は水素を含まない湿り空気における湿度ＲＨに対するＫＬ，ＫＨ，Ｈｕｍの相関図であり、横軸はＲＨを、左縦軸はＫＬ，ＫＨを、右縦軸はＨｕｍをそれぞれ示す。図１５より、規格化出力ＫＬ，ＫＨのＲＨに対する特性はいずれもピークを持つ非線形特性であることがわかる。これは湿り空気の持つ熱伝導特性を直接表していることになる。従って、湿度に対するＫＬ，ＫＨの近似式は必ず二次以上の方程式で表さなければならないので、従来例のようにこの近似式（推定式）を用いて連立方程式を解くと解が複数存在することになり、一義的に湿度をひいては水素濃度を決定できないわけである。
【００６７】
しかし、湿り空気のような混合ガスの熱伝導率をＳｕｔｈｅｒｌａｎｄ−Ｗａｓｓｉｌｊｅｗａ型理論式から計算すると、式中の結合係数や構成ガスの純成分の熱伝導率が温度特性を持つことから、たとえ同濃度の混合ガスでも温度が変わると熱伝導率が変化することがわかる。従って、発熱素子の発熱温度を違えると、同湿度下であっても湿度感度が互いに異なることになる。これは図１５でＫＬとＫＨのプロットが異なることからも裏付けられる。この点に着目し、異なる発熱温度における発熱素子の出力（ここではＫＬ，ＫＨに相当）の差を上記理論式から計算すると、ガスセンサの使用湿度範囲では略線形特性になることを発見した。実際にＫＬとＫＨの差（＝Ｈｕｍ）を求めた結果を図１５に示す（縦軸は右側を参照のこと）。図１５よりＲＨに対するＨｕｍは略線形特性を示しこれも理論計算を裏付ける結果となった。これらのことから、従来、湿度を一義的に決定できなかったものが、本発明の演算手法により（９）式を用いて決定できるようになった。
【００６８】
次に、水素濃度を求める手法について説明する。
【００６９】
図１１より湿度に応じたオフセットを差し引けば湿度補正を行えることがわかる。従って、湿度とオフセットの相関を求めれば湿度補正が可能となる。ここで、図１４でＨｕｍが湿度を表すことを明確にしたので、ＨｕｍとオフセットＯｆｆとの相関を求めた。結果を図１６に示す。横軸はＨｕｍを、縦軸は図１１から求めたＯｆｆをそれぞれ示す。図１６よりＨｕｍから差し引くべきオフセット量Ｏｆｆを一義的に決定できることがわかる。両者の相関を最小二乗法で三次近似した計算式を次式に示す。
【００７０】
Ｏｆｆ＝１１．２４７×Ｈｕｍ^３−２７．５０２×Ｈｕｍ^２
＋１７．２４２×Ｈｕｍ−０．０３５１              （１０）
従って、湿度補正後の水素出力Ｏｕｔは次式より得られる。
【００７１】
Ｏｕｔ＝ＫＨ−Ｏｆｆ                                      （１１）
なお、（１０）式で三次近似としたのは低次の近似では補正誤差が大きかったからである。
【００７２】
以上の補正手法を用いて、実際に図１１の出力を湿度補正した結果を図１７に示す。横軸は非検出ガス中の水素濃度、縦軸は水素出力Ｏｕｔである。図１７より明らかなように、図１１と比べ湿度補正が極めて良好になされていることがわかる。
【００７３】
また、（１１）式までに示した計算はいずれも簡単な四則演算であるため、従来例のような連立方程式を二次以上の次数で計算するのに比べ複数の解が存在することなく正確に、さらに計算速度が極めて速く、応答性のよいガスセンサが実現できる。従って、湿度が影響する系のような場合には本実施の形態の計算方法が極めて有利であることが分かる。
【００７４】
以上の計算手法はマイクロコンピュータ２７にプログラムされており、ガスセンサ動作時に得られる発熱素子の出力Ｔ，Ｌ，Ｈが入力されると、上記（１）式から（１１）式の計算を行い水素濃度、湿度を出力するようになっている。この計算手順サブルーチンを図１８のフローチャートに示す。
【００７５】
まず、発熱素子に最初の電流（ここでは１ｍＡ）を流す（Ｓ１）。次に既定時間（０．１秒）待つ（Ｓ２）。既定時間経過後の発熱素子の両端電圧Ｔを読み込む（Ｓ３）。次に発熱素子に２回目の電流（ここでは７ｍＡ）を流し（Ｓ４）、既定時間（０．１秒）待ち（Ｓ５）、発熱素子の両端電圧Ｌを読み込み（Ｓ６）。同様に、発熱素子に３回目の電流（ここでは７．５ｍＡ）を流し（Ｓ７）、既定時間（０．１秒）待ち（Ｓ８）、発熱素子の両端電圧Ｈを読み込む（Ｓ９）。次に、（１）式から（４）式を用いて温度による０点補正計算を行い（Ｓ１０）、その結果を用いて（５）式から（８）式により温度による感度補正計算を行う（Ｓ１１）。次に、（９）式より湿度計算を行い（Ｓ１２）、（１０），（１１）式より湿度補正による水素濃度を計算する（Ｓ１３）。最後に水素濃度と湿度を出力する（Ｓ１４）。以上の動作を１サイクルとして繰り返し、水素濃度と湿度を出力し続ける。
【００７６】
なお、本実施の形態では水素濃度と湿度のみを出力しているが、必要に応じてＴの値から周囲温度を出力するようにしてもよい。
【００７７】
以上の構成、動作により、水素と水蒸気が共存した環境下において水素濃度と湿度を区別して検出することができるガスセンサが得られた。
【００７８】
【発明の効果】
以上のように本発明は湿気を含む大気と混合した被検出ガスに接触する発熱素子と、この発熱素子に電流を流す電源装置と、この発熱素子の両端電圧を測定する電圧計と、この電圧計の出力電圧から湿度および被検出ガスの濃度を演算出力する演算部を有し、前記発熱素子に少なくとも３段階以上の電流をステップ状に規定時間連続して流し、それぞれの電流値に対する前記発熱素子の規定時間経過後の両端電圧を前記演算部へ取り込み最も電流の少ない時の前記発熱素子の両端電圧から温度を求め、前記温度と濃度既知の被検出ガスであらかじめ求めた０点および感度の補正式とからその他の電流を流した時の前記発熱素子の両端電圧の値を補正することで規格化出力をそれぞれ求め、この規格化出力の差から湿度を求め、湿度と濃度既知の被検出ガスであらかじめ求めた湿度補正式で前記規格化出力を補正することで被検出ガスの濃度を求める行程を１サイクルとして繰り返すことで湿度および被検出ガスの濃度を出力するものであるので、湿気があっても水素濃度と湿度をそれぞれ区別して検出することができるガスセンサを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の実施の形態におけるガスセンサのガス検出部の分解斜視図
【図２】
同センサの発熱素子の概略斜視図
【図３】
同センサの発熱素子の概略断面図
【図４】
同センサの発熱素子の拡大断面図
【図５】
同センサの発熱素子の概略製造プロセス図
【図６】
同センサの概略断面図
【図７】
同センサを定置型燃料電池システムに取り付けた際の概略ブロック図
【図８】
同センサを用いた燃料電池自動車の概略構造を示す断面図
【図９】
同センサの概略回路図
【図１０】
同センサの発熱素子に加える印加電圧の概略波形図
【図１１】
同センサの発熱素子が高温発熱時の加湿下における水素濃度出力特性図
【図１２】
同センサの発熱素子が低温発熱時および高温発熱時の０点温度特性図
【図１３】
同センサの発熱素子が低温発熱時および高温発熱時の温度による温度補正特性図
【図１４】
同センサの発熱素子が低温発熱時および高温発熱時の補正後の出力差と８０℃における相対湿度との相関図
【図１５】
同センサの湿度と０点および感度補正後出力の相関図
【図１６】
同センサの発熱素子が低温発熱時および高温発熱時の補正後の出力差とオフセットとの相関図
【図１７】
同センサの湿度補正後の加湿下での水素濃度出力特性図
【図１８】
同センサの水素濃度と湿度を計算する手順を示すフローチャート
【符号の説明】
１  発熱素子
２  ベース
３  ピン
４  ワイヤー
５  内孔
６  内キャン
７  外孔
８  外キャン
９  網
１０  台座
１１  発熱体
１２  ランド
１３  窪み部
１４  絶縁層
１５  保護層
１６  検出部
１７  検出回路
１８  容器
１９  取出しケーブル
２０  容器フタ
２１  耐湿樹脂
２２  ガス取込口
２３  ネジ部
２４  ガスセンサ
２５  定電流源
２６  電圧計
２７  マイクロコンピュータ
５１  水素タンク
５２  遮断弁
５３  水素加湿器
５４  燃料電池スタック
５５  コンプレッサ
５６  空気加湿器
５７  燃料電池制御回路
５８  筐体
５９  警報器
６０  換気扇
１０１  本体
１０２  乗車空間
１０３  水素タンク収納空間
１０４  駆動手段収納空間
１０５  床下空間
１０６  タンク
１０７  外側タンク
１０８  内側タンク
１０９  モーター
１１０  燃料電池スタック
１１１  タイヤ
１１２  ハンドル
１１３  ガスセンサ